基于STM32的智能巡检小车系统设计--循迹模块设计-Toy模板网

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作者：车
邮箱：692604135@qq.com
学校：西安工程大学硕士研究生
方向：机器视觉、图像分割、深度学习

1. 硬件设计–灰度循迹模块电路设计

灰度循迹传感器是主要用于小车沿黑色赛道循迹的传感器。
灰度传感器利用不同颜色的检测面对光的反射程度不同，灰度感应接收管对不同检测面返回的光，其阻值也不同的原理进行颜色深浅检测。
灰度传感器LED状态指示，传感器的管子照到灰度值较高的，输出电平由高变低，对应LED亮。此种输出方式为数字输出，即1或0输出。

2. 软件设计–循迹程序设计

循迹模块的设计就是要完成小车沿黑线的循迹。在循迹的过程中，要用L298N直流电机驱动模块驱动直流电机进行前进、后退停止操作；并且要通过两个轮子的差速进行左转和右转的转向动作。
L298N驱动板可驱动2路直流电机，使能端ENA、ENB为高电平时有效，控制方式及直流电机状态表如下表所示。

基于STM32的智能巡检小车系统设计--循迹模块设计
在灰度巡检模块的设计中，需要通过根据R、M、L三个引脚反馈给主控板数字信号0或1，对小车做出相应的操作。对应的逻辑关系如下表所示。

执行一次循迹程序的流程图如下图所示。

基于STM32的智能巡检小车系统设计--循迹模块设计
下图(a)~(f)是模拟的灰度巡线传感器在循迹过程中的几种情况，模拟的灰度巡线模块也代表了小车的方向。

循迹模块配了三个GPIO_Input引脚，分别命名为L_Pin、M_Pin、R_Pin引脚，分别与主控板的PE11、PE12、PD10引脚相连。

循迹程序设计的部分代码如下：

if(HAL_GPIO_ReadPin(GPIOE,R_Pin))//读取R_Pin的值；
dir = dir | 1;//把R_Pin的值放在dir第八位；
else  dir = dir & 0xFE;//给R_Pin置零；
if(HAL_GPIO_ReadPin(GPIOE,M_Pin))//读取M_Pin的值；
dir = dir | 2;//把M_Pin的值放在dir第七位；
else  dir = dir & 0xFD;//给M_Pin置零；
if(HAL_GPIO_ReadPin(GPIOD,L_Pin))//读取L_Pin的值；
dir = dir | 4;//把L_Pin的值放在dir第六位；
else  dir = dir & 0xFB;//给L_Pin置零；
case 0: LEFT();   //左转；
case 1: RIGHT();  //右转；
case 2: GO();     //直行；
case 5: STOP();	  //停止。

在循迹的过程中，需要用到很多控制函数：直行GO函数、停止STOP函数、左转LEFT函数、右转RIGHT函数。举例左转函数如下。

左转LEFT()函数部分代码如下：

HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, IN1_Pin|IN4_Pin, GPIO_PIN_RESET);
//给IN1_Pin、IN4_Pin引脚赋值0；
HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, IN2_Pin|IN3_Pin, GPIO_PIN_SET);
//给IN2_Pin、IN3_Pin引脚赋值1；
HAL_Delay(5);//延迟5ms，使电机受到的损伤更小。

3. 烧录程序

3.1 编写各部分代码

在Keil ARM中写程序的时候，由于一些初始化和配置在STM32CubeMX的原因，必须在BEGIN和END之间写代码，如图所示。如果写错地方，代码在点击编译Rebuild之后就会被吞噬。
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3.2 配置所用到的主芯片（STM32F407VET6）

点击Options for Target，在Device里选择用到的主芯片，本设计里用到的主芯片是STM32F407VET6,所以在这里选择STM32F407VETx，点击OK。
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3.3 配置仿真器ST-Link

选择完器件之后，继续选择Options for Target的Debug，选择Use并且根据自己的仿真器选择ST-Link Debugger。
点击ST-Link Debugger右边的setings，左边一列自动选择了ST-LINK/V2
如果可以识别到仿真器，那么SW Devive会出现0x2BA01447 ARM CoreSight SW-DP(ARM Core)，然后点击确定，

仿真器配置成功。演示如图所示。
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3.4 添加Flash

选择Options for Target的Utilities页面的Settings，然后点击Settings页面里面的Add，选择512k的STM32F4xx 512kB Flash。然后点击确定，这时候会返回上一页面，点击这个界面的OK。演示如图所示。

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3.5 编译代码

如果编译后有问题，那么可以去Build Output窗口中看出现的错误，并根据出现错误的行提示和关键字提示去修改代码，修改完成后继续保存下载编译代码，直至没有出现错误为止；
如果编译后没有错误，Build Output会显示0 Error(s)，工程文件编译成功。

3.6下载程序

将ST-LINK仿真器一端插进STM32的SWD接口，另一端与电脑相连，这时候红灯亮起，下载时实物连接图如图所示。
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点击Keil ARM软件中的LOAD，下载时，仿真器会红黄灯交叉闪烁。如图所示。

工程文件下载成功后,Build Output窗口会显示Programming Done、Verify OK、Flash Load Finished，表示下载完成，工程文件下载成功如图所示。
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工程文件下载完成之后，就可以给STM32主控板和L298N直流电机驱动模块上电。

4. 测试

4.1 直流电机驱动模块测试

4.1.1 前进、后退和停止

在直流电机驱动模块的测试中，需要给IN1-IN4引脚赋值高、低电平，确保直流电机会正转、反转以及制动。首先给STM32主控板和L298N直流电机驱动模块通电。

STM32供电实物展示
基于STM32的智能巡检小车系统设计--循迹模块设计
L298N直流电机驱动模块通电后实物展示

在这里，直接给IN1~IN4引脚赋值高、低电平来驱动小车前进、后退以及停止。

代码中给IN1~IN4引脚赋值RESET(0)、SET(1)、RESET(0)、SET(1)；小车可以前进。
给IN1-IN4引脚赋值SET(1)、RESET(0)、SET(1)、RESET(0)；小车可以后退。

4.1.2 左转、右转

STM32主控板输出两路PWM波形到L298N电机驱动模块的ENA和ENB使能端口，通过调节两路PWM波形占空比以此控制小车的车速。用示波器来显示测得的占空比的大小和输出频率的大小。示波器与STM32的连接实物图如图所示。

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当两个脉冲为Pulse=320，根据公式计算占空比为59.9%输出的两路PWM波的占空比=60.00%，频率=10.00kHz。输出的PWM波用示波器显示如图所示。
当脉冲1为Pulse=320，脉冲2为Pulse=479，两路PWM波的占空比为59.9%和49.9%。输出的两路PWM波的占空比分别为60.00%和40.00%。这时，小车右转。
当脉冲1为Pulse=479，脉冲2为Pulse=320，输出的两路PWM波的占空比分别为40.00%和60.00%。输出的PWM波用示波器显示如图所示。这时，小车左转。

4.2 灰度循迹模块测试

设计了一个椭圆形环道的循迹。循迹赛道如图所示。

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在灰度循迹模块的测试中，需要先编写这一模块的代码，然后根据前面的步骤下载、编译代码，给STM32上电、下载工程文件。这时候，给STM32和L298N直流电机驱动模块上电，然后把小车放在赛道上，让其进行循迹。正常情况如图所示，这时灰度传感器的返回值为010，电机正转，小车直行。
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小车在循迹过程中会一直进行调整，图5-23小车循迹过程中偏右，这时灰度传感器的返回值为110，右电机正转，左电机反转，小车进行左转；图5-23小车偏左的，这时灰度传感器的返回值为001，左电机正转，右电机反转，小车进行右转操作。
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